浅谈高层建筑剪力墙结构设计思路与应用

2018-06-05金霄

建材与装饰 2018年23期

金霄

（广州市设计院广东广州 510620）

剪力墙结构是指纵横向的主要承重结构全部为结构墙的结构。当墙体处于建筑物中合适的位置时，它们能形成一种有效抵抗水平作用的结构体系，同时，又能起到对空间的分割作用。剪力墙结构是用钢筋混凝土墙板来代替框架结构中的梁柱，能承担各类荷载引起的内力，并能有效控制结构的水平力，这种用钢筋混凝土墙板来承受竖向和水平力的结构称为剪力墙结构。剪力墙结构作用高层建筑中的主要结构形式，在现代高层建筑中被大量运用。

1 剪力墙种类

剪力墙一般根据墙上洞口的大小、多少及排列方式，主要分为以下几类：

1.1 整体墙

没有门窗洞口或只有少量很小的洞口时，可以忽略洞口的存在，这种剪力墙即称为整体剪力墙，简称整体墙。当门窗洞口的面积之和不超过剪力墙侧面积的15%，且洞口间净距及孔洞至墙边的净距大于洞口长边尺寸时，即为整体墙。

1.2 小开口整体墙

门窗洞口尺寸比整体墙要大一些，此时墙肢中已出现局部弯矩，截面法向应力相当于整体弯矩直线分布和墙肢局部弯矩应力叠加的之后的结果，这种情况下的变形基本上属于弯曲型，这种墙称为小开口整体墙。

1.3 联肢剪力墙

如果剪力墙开洞面积更大，剪力墙整体性受到破坏，连梁刚度比墙肢刚度小很多，连梁中部有反弯点，截面法向应力不能用平截面假定计算，剪力墙变形由弯曲型向剪切型过渡，各墙肢单独作用更明显，可看成由多肢剪力墙通过刚度较大的连梁结合在一起的剪力墙，此时成为联肢剪力墙。

1.4 框支剪力墙

当底层需要满足大空间使用时，通过转换柱与转换梁，采用框架结构支撑上部剪力墙，就形成框支剪力墙。在地震区，不容许采用纯粹的框支剪力墙结构。

1.5 壁式框架

当剪力墙开洞面积很大的时候，墙肢长度较短，此时墙肢刚度与连梁刚度相近，变形变为剪切型，受力性能更接近框架结构，此时称为壁式框架。

2 剪力墙结构设计的思路分析

2.1 充分考虑墙的宽高以及受力情况

（1）基于剪力墙设计过程中，需对墙的宽度与高度加以明确。根据以往工程实际设计经验来看，非常容易出现墙面偏大但墙体厚度偏小的情况，此类建筑结构在结构受力方面存在一定的弊端。与此同时，在剪力墙结构设计过程中，需将建筑结构中剪力墙和柱区分开来，确保构件厚度和肢长符合相应的设计标准；如构件肢长与厚度比值<3，那么构件设计需要对按柱设计要求进行设计；如比值>3，那么需对剪力墙进行设计。

（2）在剪力墙结构设计过程中，需对构件承受的竖向力与水平力进行整体考虑。基于剪力与弯矩的影响下，剪力墙需承担很大的作用力，所以剪力墙需要具备一定延续性，并且可以确保在水平力影响下的有关要求得到满足。采用剪力墙期间，在1个平面当中，剪力墙所承受的刚度与承载力更大。所以，与平面外的承载力与刚度比较便呈现偏小的特点。此外，需重视剪力墙与平面外的梁之间的连接，主要是因为基于平面外墙肢会有弯矩状况发生。针对此类情况，需给予有效处理措施，从而使剪力墙平面的安全得到有效保证。

2.2 合理掌握剪力墙的尺寸及其外形

要想优化剪力墙设计，便有必要合理掌握剪力墙的尺寸及其外形。对于不同的墙体结构来说，其设计也存在差异；所以剪力墙结构设计在竖直或水平方向的刚度及其荷载分布均有所差异。为了使剪力墙荷载传递要求得到有效满足，需保证其墙肢截面高度是墙厚的八倍。同时，对于剪力墙结构来说，要想使自身的稳定性得到有效保证，便需要优化设计外形，通常选取T形或者L型最好，这两种外形方案的选择均能够减轻墙体的重量，进而使剪力墙结构的外形体积得到有效减小，并使剪力墙侧向刚度的提高得到有效促进，此外还能够在一定程度上使建筑工程项目的成本得到控制。此外，在剪力墙结构使用过程当中，需保证剪力墙2个方向中至少有一个与标准相符，且另一个不宜偏短，误差值控制在1m内，这样才能够使配筋问题得到有效避免。

2.3 优化剪力墙设计的计算

在剪力墙设计过程中，需从整体角度分析水平力以及竖向力，进而优化计算剪力墙设计，以此使设计出来的剪力墙的承受荷载以及压力符合设计的而要求。需明确的是，在剪力墙计算过程中，需明确剪力墙和宽度之间维持的距离，同时在楼层间还有必要对最小剪力系数加以考虑。从我国建筑房屋设计有关规定来看，明确基于施工过程中房屋需使自重降低，同时还需要确保房屋的抗震效果。然而，对于一般的剪力墙结构来说，由于短肢剪力墙结构抗侧刚度比较小，所以在设计的情况下有必要对一定量的长墙进行布置，或采用电梯在楼梯间形成大刚度的内筒。如此一来，结构在设防烈度产生较大的变形情况便能够得到有效避免，同时还能够使两道的抗震防设效果增强。总而言之，需对剪力墙设计进行优化计算，进而确保剪力墙设计符合标准要求。

2.4 优化设计剪力墙连梁及剪力墙大墙肢

①对于剪力墙连梁来说，也就是墙肢和墙肢之间互相连接的梁，当墙肢受到压力的情况下，便容易产生超筋或形变，进而使建筑的质量及寿命遭到很大的威胁。因此，便有必要优化设计剪力墙连梁。具体优化措施为：一方面，合理降低剪力墙连梁的高度，以建筑工程实际情况为依据，使剪力墙连梁的高度控制在合理范围内，从而使因尺寸问题引发的连梁剪切形变状况得到有效避免。另一方面，规范控制剪力墙结构的塑性，并对剪力墙连梁弯矩的抗震设计进行合理调整。并且，需对连梁的受力合理控制。②在剪力墙设计过程中，需确保剪力墙具备很好的延展性，这样才能够使剪力墙设计实现优化。剪力墙结构较为特殊，宽和高比较弱<2，那么其柱体一般呈细高状。因此，要使剪力墙剪切破坏程度得到有效控制，需保证剪力墙呈现弯曲状。而要想使剪力墙的高度得到有效保障，首要工作是进行均匀分段，然后采取开洞技术把剪力墙分成小墙段，以此使剪力墙在弯曲过程当中可以控制裂缝的扩大。剪力墙平面布置的时候，宜简单、规则，质量、刚度和承载力分布宜均匀。除平面均匀外，剪力墙的竖向布置也应该规则、均匀，侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化。厚度也应沿高度均匀变化，厚度取值根据层高确定，应尽量在结构底部设置较厚剪力墙。剪力墙不宜过长，墙段长度不宜大于8m。抗震设计时，应避免单向布置剪力墙，宜使各主轴方向侧移刚度相近，且剪力墙间距及长度也应尽量均匀。结构竖向抗侧力构件宜上、下连续贯通。表现在设计结果中，即结构在两个主轴方向的动力特征（周期和振型）宜相近。

3 剪力墙结构设计案例分析

结合某工程进行分析，该项目位于广东阳江，为高层住宅。结构类型是纯剪力墙结构，抗震等级为二级。其中地上主体住宅部分30层，地下室2层，外圈住宅底部设置商铺，且与地下室外墙及塔楼首层呈错层布置（见图1阴影部分）。依照《广东省高规-DBJ15-92-2013高层建筑混凝土结构技术规程》11.4.4规定错层处柱截面抗震等级应提高一级。由于此处为地下室外墙，则采用将地下室外墙向上延伸至塔楼二层进行错层部位加强。设计过程中，发现二层墙柱局部出现轴压比超限的情况，结合模型分析，采用了三种对策：

（1）加长加厚墙肢，增大混凝土受压面，从而降低轴压比，此方案后因建筑功能需要无法按结构需求加长加厚墙肢，此方案被否决；

（2）局部采用钢板剪力墙，即在轴压比超限楼层剪力墙内设置钢板并向上顺延一层，利用钢板剪力墙延性好的特点，降低轴压比，提高墙柱的延性。此方案因整个项目仅一处需设置钢板剪力墙，综合考虑后未采用；

（3）经过对模型的位移分析，发现因错层加强处剪力墙较厚，相对应带来的刚度增大，导致整体结构为了平衡位移，该处受力集中，导致轴压比超限，后将错层处400mm厚减为300mm，并在墙上开数个墙洞，适当削弱该处刚度。处理后上部墙肢轴压比下降，满足规范要求。

4 结语

高层建筑抗震设计是一个较为复杂的过程，设计因素较多，需要从各个方面进行综合性研判，才得到获取最佳的设计效果。在针对高层建筑不同结构进行抗震性能强化过程中，要尽量使结构的刚度和质量均匀分布墙体分布要均匀，剪力墙或抗震墙布置要和结构抗震要求相结合，刚度较大的电梯井要尽量居中布置，避免偏心，也应避免因底部刚度过大带来上部结构超限。